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一个星系“怀抱”两个大黑洞 是种怎样的体验 作者 / 庾如风

  绝大部分星系中心都盘踞着一个庞然大物——超大质量黑洞,其质量大约是数百万倍甚至数十亿倍太阳质量不等。

  目前观测数据显示,每个星系中心都有一个超大质量黑洞,几乎没有例外。它们有着不同的状态——有的正在吞噬物质、活跃异常;有的停止“进食”、安静沉睡。

  然而,最近的一项研究却发现星系中心可能存在两个超大质量黑洞。

  近期,一个国际研究团队发现了11个活跃星系的周期性伽马射线暴发,其中2个为已知源,9个为新源。研究者认为导致这一现象的原因可能有多种,其中一种便是这些星系的中心存在两个超大质量黑洞。

  该研究成果已发表在《天体物理学》期刊上。

  周期性变化信号或是重要特征

  确定伽马射线信号的周期性模式,就像是在狂风暴雨的海洋中找出由一艘小船驶过而引起的微小、有规则的波纹

  众所周知,黑洞引力巨大,连光也无法逃脱其“魔爪”。藏匿于星系核心的超大质量黑洞,是如何被找到的?

  事实上,黑洞处于活跃的“进食”状态时,其附近物质在被吞噬的过程中相互摩擦释放能量,形成明亮的吸积盘;有部分物质可能在被“吃”之前沿着旋轴的方向喷射出高能粒子,产生喷流。

  科学家就是通过观测吸积盘或喷流释放的电磁波信号,发现了这些隐匿在星系中心的黑洞。“通常情况下,科学家可通过光学波段电磁信号观测黑洞吸积盘,而喷流的大部分能量则是以伽马射线、X射线和射电辐射的形式释放。”中国科学院国家天文台研究员陆由俊在接受科技日报记者采访时表示。

  在此次研究中,研究人员便是利用了美国国家航空航天局(NASA)费米太空望远镜长达9年的伽马射线观测数据,较为系统地梳理了2000多个星系中心的活跃黑洞信号,最终找出11个具有周期性变化规律的伽马射线源,变化周期平均2年左右。

  “确定伽马射线信号的周期性模式,就像是在狂风暴雨的海洋中找出由一艘小船驶过而引起的微小、有规则的波纹。”文章第一作者、西班牙马德里大学佩尼尔博士表示,这一研究结果或将支持星系中心存在两个超大质量黑洞的观点。

  星系中心双黑洞为何可能会导致周期性伽马射线信号?陆由俊表示,可以从以下两个方面来理解。

  一方面,双黑洞相互扰动会导致喷流亮度发生周期性变化。如果星系中心存在两个相互绕转的超大质量黑洞,二者周围的吸积盘也会周期性“转圈”,落入黑洞中的物质质量也会存在周期性变化规律,进而影响黑洞发射的喷流亮度,望远镜就会接收到周期性伽马射线信号。

  另一方面,双黑洞绕转也会导致喷流的喷射方向发生周期性改变。就像地球同时存在公转和自转一样,双黑洞模型中,每个黑洞都存在绕另一黑洞旋转的轨道角动量,以及自身旋转的自转角动量。通常,轨道角动量和自转角动量并不相同,二者耦合,自转角动量会在轨道角动量的扰动下发生周期性变化,喷流的方向也就会随之改变。想象一下,原本单一黑洞的喷流方向是固定的,然而由于另一个黑洞的扰动,原本方向固定的喷流在一个周期内以黑洞为中心来回摇摆。由于地球上的望远镜始终处于观测目标的某一特定方向,因此我们接收到的伽马射线信号也时强时弱,具有规律性。

  “除了伽马射线,此前也有学者通过梳理吸积盘发射的光学波段信号,以周期性光变作为双黑洞存在的观测依据。”陆由俊表示。

  当然,导致观测信号周期性变化的原因并非只有双黑洞,单一黑洞吸积盘或喷流的进动、黑洞吸积盘本身的准周期振荡等也可能导致类似的周期性观测结果。

  早有推断却缺乏观测“实锤”

  双黑洞以较高角速度相互绕转,会将靠近的恒星“踢走”,导致星系中心的恒星密度变低

  其实,这并非是天文学家第一次提及双黑洞模型观点,数十年前就有学者提出过星系中心存在超大质量双黑洞的理论推测,却一直没有在实际观测中找到“实锤”。

  “学界主流观点认为,两个星系碰撞或合并后可能会在星系中心形成超大质量双黑洞系统。”陆由俊说。

  天文学家此前已经观测到过很多次两星系碰撞或合并,表明这种现象并不罕见,甚至在宇宙早期发生的频率会更高。例如,此前《自然》期刊上曾发表过一项研究成果,研究人员一次性发现了数个星系合并的例子,星系中心黑洞也在相互靠近。虽然目前尚未形成真正意义上的单星系双黑洞系统,但经过未来长时间的演化,终将会形成双黑洞。

  如果星系中心真的存在超大质量双黑洞,会给星系带来怎样的影响?

  陆由俊告诉科技日报记者,双黑洞以较高角速度相互绕转,会将靠近的恒星“踢走”,导致星系中心的恒星密度变低。观测方面,也会出现前文提及的相关电磁信号周期性变化,其光谱各波段的能量配比和发射线轮廓变化也会与单黑洞星系有所不同。

  他进一步指出,若想证实星系中心双黑洞的理论推测,最“简单粗暴”的方法就是通过天文观测,找到单个星系中心存在两个亮核,即两个黑洞,并分别伴有吸积盘、喷流等典型的黑洞特征图像。

  另一方面,学界推测星系中心超大质量双黑洞在相互靠近、合并的过程中会辐射出较强的引力波。2016年,天文学家首次探测到来自恒星级双黑洞合并的引力波信号。当然,如果是星系中心的超大质量黑洞,其靠近、合并过程中释放的引力波能量就会比此前观测到恒星级质量双黑洞的引力波高,但频率更低。我国正在计划建设的空间引力波探测设备,主要目标之一就是探测星系中心的大质量双黑洞并合。

  “遗憾的是,迄今为止还没有找到真正让所有人信服的星系中心超大质量双黑洞的案例。”陆由俊说。

  还需“擦亮眼睛”耐心等待

  接下来还要继续探索其背后有关星系形成、演化,以及双黑洞系统特性、合并等现象的机制

  在科学技术飞速发展的今天,为何始终没有找到星系中心存在双黑洞的“实锤”?

  陆由俊指出,首先是因为望远镜的分辨率还不够高。有一种可能性是目前我们在邻近宇宙中观测到的某些星系中心确实存在超大质量双黑洞,但受限于望远镜的分辨率,只呈现出了一个亮核,被误认为是单黑洞星系。所以我们还需要一双更加锐利明亮的天文观测“眼睛”。

  其次,人类天文观测的时间尺度远远不足。自天文学家伽利略凭借其制作的一架折射式望远镜将天文学带入了望远镜时代起,现代天文观测历史充其量也仅有数百载。对于人类来说,这或许十分漫长,但茫茫宇宙长河中,百余年恰如弹指一挥间。“我们也许错过了宇宙中的很多‘精彩时刻’,因此星系中心双黑洞的证据或许需要未来长时间的等待和探寻,如探测到大质量双黑洞并合发射的低频引力波等。”陆由俊说。

  然而,即便我们十分幸运,这一推测能够在不久的未来得以证实,这也并非终点,而是起点。

  “理解双黑洞与其周围环境的关系对于构建星系形成、演化的完整图景至关重要。”文章合著者、美国克莱姆森大学物理与天文科学系副教授马可·阿杰罗说。

  陆由俊也指出,就算我们明确找到了星系中心双黑洞的证据,接下来还要继续探索其背后有关星系形成、演化,以及双黑洞系统特性、合并等现象的机制。

  “届时,可以结合电磁波理论与引力波理论,共同探究黑洞的本质,从而挖掘出有关时空的更多信息,加深我们对宇宙本质的理解。”陆由俊说。

  实习记者 于紫月 【编辑:田博群】



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